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世界上有三分之二的人口遭受缺水困擾。大氣中水蒸氣含量約有13000萬億升，如果能得到有效利用，將很好的解決缺水問題。這是一個老生常談的話題，很多國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞這一課題做過諸多工作，比如北京航空航天大學(xué)郭林研究組發(fā)明的人造仙人掌刺可有效收集空氣中的水分，發(fā)表在《Advanced Science》。但現(xiàn)有的研究結(jié)果顯示，若想從空氣中收集水分，需要較大的空氣濕度，通常都是在霧氣中收集，或者需要較高的能量。加州大學(xué)伯克利分校Omar M. Yaghi教授和麻省理工學(xué)院Evelyn N. Wang教授團隊僅利用太陽能在相對濕度低達20%的條件下，使用金屬有機框架（MOF）材料成功收集空氣中的水分，每天每公斤MOF材料集水量能達到2.8L。

圖1 MOF-801集水裝置

研究人員利用MOF-801（[Zr6O4(OH)4(fumarate)6]）與冷凝器組成MOF集水系統(tǒng)在太陽能的輔助下收集空氣中的水分（圖2 B）。晚上水蒸氣吸附在MOF層上（圖2 B右），白天在陽光照射下MOF溫度升高，而下方的冷凝器與室溫相同，因此結(jié)合在MOF中的水蒸氣逐漸凝結(jié)，形成液態(tài)水（圖2 B 左）。MOF-801在溫度區(qū)間為25℃~65℃的條件下，0.6kPa蒸氣壓下收集至少0.25L水（圖2 A）。

圖2 MOF集水工作原理

為進一步增加MOF-801的集水量，研究人員通過計算優(yōu)化孔隙度和材料厚度，在空隙率（ε）為0.7的條件下，不同厚度的MOF-801(1, 3, 5mm) 24h內(nèi)可產(chǎn)生2.8 L/kg或0.9 L/m2的水。最后研究人員還建立了相關(guān)模型（圖3 A），隨著白天MOF溫度的升高，冷凝器上的水珠也逐漸增多（圖3 B）。

圖3 MOF-801集水裝置及不同溫度下冷凝器上的水滴

Yaghi教授認為這種新型收集水的方法，不需要較高的相對濕度，僅在太陽照射下即可完成，因此更節(jié)能。即使在北非的干旱地區(qū)，該方法也同樣適用。目前Yaghi教授團隊也正在尋找新的MOF材料，收集更多空氣中的水蒸氣。

參考文獻:

Kim, H.; Yang, S.; Rao, S. R.; Narayanan, S.; Kapustin, E. A.; Furukawa, H.; Umans, A. S.; Yaghi, O. M.; Wang, E. N., Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight. Science 2017. DOI: 10.1126/science.aam8743